Herramientas de simulación libres y abiertas para el diseño de unidades de procesamiento de ...

17 Pages·2015·1.28 MB·Spanish

Herramientas de simulación libres y
abiertas para el diseño de unidades
de procesamiento de potencia
para sistemas fotovoltaicos
Free and open source simulation tools for the design
of power processing units for photovoltaic systems
Sergio Morales-Hernández1, Carlos Meza-Benavides2
Fecha de recepción: 18 de setiembre del 2014
Fecha de aprobación: 10 de diciembre del 2014
Morales-Hernández, S; Meza-Benavides, C. Herramientas
de simulación libres y abiertas para el diseño de unidades
de procesamiento de potencia para sistemas fotovoltaicos.
Tecnología en Marcha. Vol. 28, Nº 2, Abril-Junio. Pág 44-60.
1 Profesor Adjunto, Escuela de Ingeniería en Electrónica, Instituto Tecnológico de Costa Rica
Correo electrónico: [email protected]
2 Profesor Adjunto, Escuela de Ingeniería en Electrónica, Instituto Tecnológico de Costa Rica
Correo electrónico: [email protected]
Tecnología en Marcha,
Vol. 28, N.° 2, Abril-Junio 2015 45
Palabras clave
Sistemas fotovoltaicos; herramientas de simulación; convertidores de potencia.
Resumen
Las fuentes de energía renovable, entre ellas la solar fotovoltaica, requieren de circuitos
electrónicos que sirvan de interface entre el dispositivo transductor y el dispositivo o sistema
que utilizará la energía. Más aún, la eficiencia energética y el costo del sistema se pueden ver
comprometidos si este circuito electrónico no ha sido diseñado de forma apropiada. Dado que,
por un lado, las características eléctricas de los dispositivos fotovoltaicos son no lineales y, por
otro, los circuitos electrónicos más eficientes son naturalmente discontinuos, se requiere un
análisis dinámico detallado que permita optimizar el diseño. Dicho análisis debe ser apoyado
por herramientas informáticas de simulación. En este artículo se hace una comparación entre
dos herramientas informáticas de simulación de sistemas dinámicos para determinar su utilidad
en el proceso de diseño de sistemas fotovoltaicos, principalmente en lo que corresponde a
las unidades de procesamiento de potencia. Utilizando como caso de estudio un sistema
fotovoltaico para la carga de una batería, se determinó que la herramienta Scicoslab facilita la
simulación de sistemas dinámicos complejos, presentes en las unidades de procesamiento de
potencia de los sistemas fotovoltaicos.
Keywords
Photovoltaic systems; simulation tools; power converters.
Abstract
Renewable energy sources, including solar photovoltaic, require electronic circuits that serve as
interface between the transducer device and the device or system that uses energy. Moreover,
the energy efficiency and the cost of the system can be compromised if such electronic circuit
is not designed properly. Given that the electrical characteristics of the photovoltaic devices
are nonlinear and that the most efficient electronic circuits for power processing are naturally
discontinuous, a detailed dynamic analysis to optimize the design is required. This analysis
should be supported by computer simulation tools. In this paper a comparison between two
software tools for dynamic system simulation is performed to determinate its usefulness in the
design process of photovoltaic systems, mainly in what corresponds to the power processing
units. Using as a case of study a photovoltaic system for battery charging it was determined that
Scicoslab tool was the most suitable.
Introducción
La energía solar es abundante y el proceso de conversión a energía eléctrica puede llegar
a tener un impacto ambiental muy bajo. Los sistemas solares fotovoltaicos permiten el
aprovechamiento de la radiación electromagnética producida por el sol por medios eléctricos.
La tecnología fotovoltaica es hoy en día bastante madura y en muchas regiones del mundo su
costo es comparable con el de las fuentes de energía tradicional.
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U.P.P. Carga
Dispositivo
FV
Figura 1. Diagrama de bloques representativo de un sistema fotovoltaico (U.P.P.: Unidad de Procesamiento de
Potencia).
Un sistema fotovoltaico está conformado por uno o varios dispositivos fotovoltaicos (celda,
panel o conjunto de paneles) y una unidad de procesamiento de potencia (ver figura 1). Las
características eléctricas de un dispositivo fotovoltaico hacen necesario el uso de un circuito
electrónico, denominado unidad de procesamiento de potencia (UPP), para aprovechar de
forma óptima la energía que éste genera. Sin la UPP, el dispositivo fotovoltaico generaría menos
energía de la que potencialmente puede producir. Esto se debe a que un dispositivo fotovoltaico
presenta un punto de máxima generación de potencia definido por un par de valores de tensión
y corriente determinados, tal y como se puede apreciar en la figura 2. Una de las tareas de la
UPP es posicionar en todo momento el punto de operación del dispositivo fotovoltaico en su
punto de máxima potencia. La otra tarea de la unidad de procesado de potencia es lograr que
la carga que está siendo alimentada por el dispositivo fotovoltaico reciba un nivel de tensión
y corriente adecuado (ver figura 1). Cargas típicas en sistemas fotovoltaicos son baterías,
motores, luminarias o la misma red eléctrica.
Figura 2. Curvas de voltaje vs. corriente y voltaje vs. potencia de un dispositivo fotovoltaico típico a temperatura e
insolación constantes. El círculo rojo indica el punto de máxima generación de potencia.
Como se puede deducir de la figura 2, las características eléctricas de un dispositivo fotovoltaico
son no lineales y en algunos casos la unidad de procesamiento de potencia también puede
tener características eléctricas no solo no lineales sino también discontinuas. Esta situación
requiere de un análisis detallado del sistema que, dada su complejidad, debe ser apoyado
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por simulaciones numéricas. El uso de simulaciones numéricas permite realizar experimentos
virtuales para probar potenciales soluciones y sistemas, reduciendo significativamente el
tiempo de diseño y los errores en la implementación final.
El presente artículo tiene como objetivo identificar un conjunto de herramientas de simulación
que pueden apoyar el proceso de diseño de sistemas fotovoltaicos, con un especial enfoque
en el diseño de las unidades de procesamiento de potencia. Como se comentará más adelante,
enfocarse en el análisis del comportamiento eléctrico de las UPP implica estudiar los transitorios
del sistema que normalmente tienen una duración en el orden de los milisegundos. En
consecuencia, las herramientas de simulación que se desean identificar no son aquellas que se
utilizan para determinar el desempeño de un sistema fotovoltaico en períodos de meses o años,
en estos casos ya hay varias herramientas maduras que logran obtener excelentes resultados
(Turcotte et al., 2001). Por otro lado, este documento se concentra únicamente en herramientas
que sean de acceso libre y abierto, no solo porque representan una opción más económica que
las pocas alternativas comerciales existentes, sino porque, dado el carácter particular y reciente
del sistema que se quiere estudiar, es necesario contar con herramientas lo suficientemente
flexibles que permitan la modificación y alteración de algunas de sus rutinas y modelos.
El presente artículo está estructurado de la siguiente forma: primero se presentan las
características eléctricas de los principales sistemas que se quieren simular, esto es, el
generador fotovoltaico y la unidad de procesamiento de potencia. A partir de la caracterización
de dichos sistemas se obtiene un conjunto de requerimientos que la herramienta de simulación
de software debe cumplir. Luego, se presenta un conjunto de herramientas de software
que cumplen de forma total o parcial los requerimientos identificados en la sección anterior.
Finalmente, se muestran los resultados de una simulación prueba de sistemas fotovoltaicos
con las herramientas seleccionadas y se discutirá cuál es la más apropiada para el enfoque
planteado.
Características eléctricas de los principales componentes de un sistema fotovoltaico
Generador fotovoltaico
El efecto fotovoltaico convierte la radiación electromagnética en energía eléctrica. Un dispositivo
fotovoltaico es aquel elemento que se diseña y construye con el objetivo de aprovechar al
máximo el efecto fotovoltaico. Una de las características más útiles de estos dispositivos es su
alta escalabilidad en potencia, esto es, que es posible generar potencias en un amplio rango
desde unas decenas de miliwatts hasta gigawatts. Por ejemplo, la celda fotovoltaica más común
es una oblea de silicio dopada de forma especial que puede generar entre 100 mW a 1 W. Es
posible obtener potencias de entre 10 a 250 W construyendo matrices de celdas eléctricamente
conectadas, normalmente en serie, conformando lo que se denomina un módulo o panel
fotovoltaico. De igual forma, es posible conformar matrices de paneles fotovoltaicos para llegar
a generar hasta decenas de gigawatts.
Existen distintos tipos de tecnologías de celdas fotovoltaicas, las cuales, tal y como se
menciona, por ejemplo, en Zinsser, Makrides, Schmitt, Georghiou y Werner (2007), Cereghetti,
Realini, Chianese y Rezzonico (2003), Friesen y colaboradores (2007a), Friesen y colaboradores
(2007b), Chianese y colaboradores (2007) y Friesen y colaboradores (2010), responden
eléctricamente de forma distinta a condiciones ambientales, y por lo tanto su comportamiento
eléctrico responde a modelos matemáticos distintos. Por otro lado, el modelo general
presentado en Meza y Ortega (2013) es lo suficientemente amplio para abarcar la mayoría de
las tecnologías fotovoltaicas disponibles en la actualidad. La expresión matemática de este
modelo es la siguiente:
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(1)
En donde
• i es la corriente del generador fotovoltaico.
pv
• v es la tensión del generador fotovoltaico.
pv
• S es la intensidad de radiación solar.
• T es la temperatura.
• ρ es un conjunto de n parámetros que dependen de las características constructivas
pv
del dispositivo.
El modelo descrito en la ecuación (1) se puede adecuar a distintas tecnologías por medio de
los siguientes parámetros:
• ρ = {ρ , ρ , …} cada tecnología tiene un valor de ρ y un número de parámetros
pv pv1 pv2 pvi
determinados.
• la función y la función pueden ser distintas para cada tecnología.
Es importante destacar que el anterior modelo pretende representar propiedades comunes que
tienen las distintas tecnologías fotovoltaicas en su comportamiento eléctrico, esto es,
• la función es siempre positiva y estrictamente creciente con respecto a
v .
pv
• es siempre positiva y mayor que .
Existen tecnologías fotovoltaicas que tienen asociadas capacitancias parásitas (Friesen et al.,
2007). En este caso, es necesario agregar al anterior modelo un componente dinámico de la
siguiente forma, tal y como se indica en Meza, Virtuani y Chianese (2010):
(2)
La función es normalmente no lineal y dependiente de v .
pv
Con base en los anteriores modelos, podemos afirmar que la simulación del transiente eléctrico
de un sistema que utilice un dispositivo fotovoltaico debería ser capaz de:
• Resolver funciones matemáticas no lineales.
• Preferiblemente resolver funciones implícitas. Nótese que según la ecuación (1), existe
la posibilidad de que la corriente del dispositivo fotovoltaico aparezca tanto en la parte
derecha como en la parte izquierda de la ecuación. Dependiendo de cómo sea la forma
de , será posible despejar o no la corriente con funciones matemáticas fundamentales. En
algunos casos, utilizando funciones matemáticas como la función de Lambert W (Sharma,
2009) se puede despejar la corriente. En este caso, el sistema de simulación debería ser
capaz de resolver esta función o permitir su programación.
• Resolver ecuaciones diferenciales no lineales, en el caso en que se utilice el modelo
dinámico de la ecuación (2).
Unidad de procesamiento de potencia
Como se mencionó anteriormente, una unidad de procesamiento de potencia de un sistema
fotovoltaico tiene dos objetivos principales:
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1. Lograr que el dispositivo fotovoltaico esté siempre posicionado en el punto de operación
de máxima potencia.
2. Lograr que la carga tenga un nivel de tensión y corriente determinados.
Dichos objetivos se obtienen por medio de dos elementos: el convertidor de potencia y el
subsistema de control. El convertidor de potencia se entiende en este documento como el
circuito electrónico conformado por componentes pasivos (inductores y capacitores) y activos
(transistores, diodos, etc.), que permiten convertir niveles de tensión y de corriente. Algunos de
los dispositivos activos del convertidor de potencia son controlados por medio del subsistema
de control, el cual, con las mediciones de las variables eléctricas del convertidor de potencia,
los valores de referencia y un algoritmo de control, genera las señales de control. La figura 3
muestra el diagrama de bloques de una unidad de potencia.
Convertidor
V de V
Potencia
Señal de
Control
Subsistema
de
Control
Medición de corrientes y
tensiones
Figura 3. Diagrama de bloques de una unidad de procesamiento de potencia.
Q L
i i i
in L out
vin D C+ VC vout
Figura 4. Circuito de un convertidor de potencia tipo reductor.
La gran mayoría de los sistemas fotovoltaicos utiliza convertidores de potencia conmutados.
Estos convertidores consisten de capacitores, inductores, diodos y transistores (usualmente
MOSFET). Estos últimos operan de forma conmutada con el fin de obtener menores pérdidas
en el proceso de conversión. Un convertidor de potencia se puede modelar matemáticamente
por medio de un conjunto de ecuaciones diferenciales que describen el proceso de carga y
descarga de los elementos que almacenan energía dentro del circuito, esto es, el inductor
y el capacitor. Por ejemplo, las ecuaciones que describen el comportamiento dinámico del
convertidor reductor que se muestra en la figura 4 son las siguientes:
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En donde
• i es la corriente en el inductor L.
L
• v es la tensión en el capacitor C.
c
• v es la tensión de entrada al convertidor.
in
• i es la corriente de salida del convertidor.
out
• u es la señal de conmutación del convertidor.
Nótese que en este caso u es discontinua, esto es, solo puede tomar los valores 0 o 1. En
algunos casos es conveniente utilizar el modelo promediado del convertidor, descrito por las
siguientes ecuaciones:
En este caso d sustituye a u, en donde d es una señal continua comprendida entre 0 y 1. Es
importante destacar que la simulación del modelo promediado no permite ver los efectos del
rizado de conmutación en el sistema.
El subsistema de control es el encargado de conmutar los transistores del convertidor de
potencia o equivalentemente de generar la señal u. La señal u también puede obtenerse a la
salida de un generador de anchura de pulso en el caso en el cual el subsistema de control
genere la señal d. Para generar esta señal, el subsistema de control puede utilizar un algoritmo
empírico, ecuaciones diferenciales lineales o no lineales o ecuaciones en diferencia (sistemas
discretos).
De esta forma, para la UPP, el sistema de simulación debe ser capaz de:
• Resolver numéricamente ecuaciones diferenciales lineales, no lineales, continuas y con
discontinuidades.
• Resolver ecuaciones en diferencia.
• Permitir programar algoritmos empíricos (redes neuronales, lógica difusa, entre otros).
Finalmente, sería de mucha utilidad que el algoritmo o las ecuaciones dinámicas del subsistema
de control pudieran exportarse de forma sencilla, para ser implementados en un microcontrolador
o un sistema de prototipado rápido.
Herramientas de simulación
Scilab/Scicoslab: Scilab es un programa computacional científico para cálculos numéricos,
que provee un poderoso entorno de computación abierta para aplicaciones científicas y de
ingeniería. Scicos permite realizar modelados y simulaciones en forma gráfica de sistemas
dinámicos, lo cual se ejecuta bajo Scilab. Scilab y Scicos han sido desarrollados por el Instituto
Nacional Francés para la Investigación en Ciencias de la Computación (INRIA), desde 1990.
Además del conjunto de funciones predefinidas de Scilab, un grupo de investigadores ha
desarrollado nuevas e importantes funciones con propósitos educativos (por ej., Pendharkar,
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2005 y Meza, Andrade-Romero, Alavarez y Coelho, 2010) y para el diseño de sistemas de
control avanzados (por ej., Delebecque, 2000). Scilab ha sido utilizado en una amplia variedad
de aplicaciones en investigación, tales como la identificación de fuentes de contaminación en
ríos, descrita en Chancelier, Cohen, Maldinery y Pacard (1996) y en la mejora de las máquinas
de prueba para fricción, mencionado en Dongping, Dongjie y Qiang (2007). Siendo un software
científico altamente sofisticado y gratuito, ha podido ser utilizado ampliamente para propósitos
educativos, tanto en países industrialmente desarrollados como en vías de desarrollo.
Python: es un lenguaje de programación de propósito general orientado a objetos diseñado
para ser interpretado, esto es, está compuesto de un conjunto de instrucciones que deben ser
convertidas a operaciones ejecutables por el computador. Esto hace que el lenguaje se pueda
aprender de forma sencilla ya que el código creado se puede probar y depurar de forma rápida
y fácil.
Python se ha extendido ampliamente en los últimos años debido sobre todo a las siguientes
ventajas:
• Es libre y abierto y está incluido en la gran mayoría de las distribuciones de Linux.
• Está disponible para la mayoría de los sistemas operativos (Linux, Unix, Windows, Mac
OS). Un programa escrito para un sistema se ejecuta en los otros sin necesidad de
modificarlo.
• Es más fácil de aprender y produce código más fácilmente entendible que otros lenguajes
de programación.
• Python y sus extensiones son fáciles de instalar.
Existen numerosas librerías y extensiones para Python. Una de las más útiles para la simulación
de sistemas dinámicos es SciPy, que es una colección de algoritmos para el cálculo numérico,
procesamiento de datos y operaciones matriciales, optimización y estadística, entre otros. El
usuario puede utilizar estos algoritmos de una forma sencilla e intuitiva y de modo muy similar
a otros lenguajes comerciales para uso científico, como Matlab.
Una de las grandes ventajas de usar Python con SciPy es, además de las ventajas de Python
anteriormente mencionadas, que funciona como una forma flexible y útil de integrar librerías
compiladas en otros programas como C, C++ y Fortran. Por estas razones, Python y SciPy
se han usado para el modelado de sistemas dinámicos en múltiples y variadas aplicaciones,
como el modelado de sistemas celulares (Olivier, Rohwer y Hofmeyr, 2005) y convertidores de
potencia (Meza y Ortega, 2013).
Prueba de simulación y discusión
Con el fin de probar las herramientas de simulación identificadas, se utilizó un caso de estudio
de un sistema fotovoltaico para la carga de una batería. Este sistema se muestra en la figura
5 y consiste de un panel fotovoltaico que alimenta a una batería por medio de un convertidor
de potencia reductor. Las ecuaciones dinámicas que describen el comportamiento eléctrico de
este sistema son las siguientes:
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L
Q
x
i
pv 2
+
x C V D
1
vp v = x1 u
d
v * = x * Subsistema PWM
pv 1 de control
Figura 5. Circuito esquemático del caso de estudio utilizado para evaluar las herramientas de simulación.
en donde y se considera que la radiación S y la temperatura T son
constantes. El cuadro 1 muestra el valor de los parámetros utilizados para la simulación.
Cuadro 1. Parámetros del sistema descrito por la ecuación (3) para su simulación.
Parámetro Valor Unidades
ψ 0.0022 A
Λ 1.2 A
α 0.2 1/V
E 12 V
L 47 mH
C 0.1 mF
Como se puede observar en la figura 5, existe un subsistema de control que genera un ciclo
de trabajo d que luego es es utilizado por un modulador de anchura de pulsos para generar la
señal u que controla la activación del transistor. El subsistema de control también está definido
por medio de un conjunto de ecuaciones diferenciales que se muestra a continuación.
(4)
en donde los parámetros K y K se utilizan para ajustar el comportamiento dinámico del sistema
P I
en lazo cerrado.
El subsistema de control debe asegurar que d∈ [0,1]. De esta forma, el modulador de anchura
de pulsos, comparando d con una señal moduladora triangular o diente de sierra con una
amplitud de 1, puede generar u. La expresión matemática que describe la operación del
modulador de anchura de pulsos es la siguiente:
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en donde representa la función máximo entero (floor) que se define de la siguiente forma:
esto es, la función máximo entero aplicado a una variable x devuelve el máximo número entero
k no superior a x.
Llegados a este punto, es importante destacar que existen dos sistemas que se pueden
analizar y estudiar. Uno que considera únicamente el comportamiento eléctrico del sistema de
la ecuación 3 promediado en los periodos de conmutación del transistor y otro que sí toma en
cuenta los efectos del sistema debido a la conmutación. Tal y como se mencionó anteriormente,
el primer caso se obtiene de la ecuación 3 sustituyendo u por d. A continuación, se presentan
los resultados de simulación para ambos casos.
Las condiciones iniciales y los parámetros para el método numérico utilizados se muestran en
los cuadros 2 y 3, respectivamente. Los parámetros del subsistema de control utilizados fueron
K = 0.1 y K = 0.75 con una señal de referencia .
P I
Cuadro 2. Condiciones iniciales (cuando t=0) del sistema descrito por la ecuación (3) para su simulación.
Variable Valor
x = v 31.51
1 pv
x = i 0
2 out
W 0
Cuadro 3. Parámetros para el método numérico utilizado para resolver las ecuaciones diferenciales del sistema
simulado.
Parámetro Valor
Máximo error absoluto permitido 1x10-8
Máximo error relativo permitido 1x10-8
Paso de integración máximo permitido 0.001
Tiempo de simulación 0.6
Cantidad de datos tomados en el tiempo de simulación 1x105